數(shù)模隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

楊文明

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

0 引言

隨著艦載武器系統(tǒng)自動(dòng)化程度的快速提升以及某中口徑艦炮的批量裝艦，艦隊(duì)的裝備保障任務(wù)越來(lái)越繁重，迫切需要一種功能強(qiáng)、易操作、便于攜帶的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，既能為該艦炮提供實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的射前檢測(cè)及維修技術(shù)保障，又能用于艦炮的日常模擬訓(xùn)練，可以節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力。

數(shù)模隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀依托先進(jìn)的電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，充分采用硬件和軟件成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用可靠性較高的便攜式處理器模塊，通過(guò)一體化設(shè)計(jì)和軟硬件架構(gòu)，全面覆蓋檢測(cè)的功能要求，提高技術(shù)保障能力和自動(dòng)檢測(cè)能力，滿足該艦炮在維修保障及模擬訓(xùn)練等方面的需求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示數(shù)模隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀要求控制計(jì)算機(jī)性能較高、運(yùn)行速度快、控制接口齊全、易于擴(kuò)展，并采用一體化虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，用加固計(jì)算機(jī)作為主控單元，各功能模塊根據(jù)實(shí)施方式不同分別采用擴(kuò)展硬件插板或軟件方式實(shí)現(xiàn)，整臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)一體化，所有擴(kuò)展硬件功能板將插入計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展插槽中，輸出及采樣信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)外部接口和艦炮隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行連接。

圖1 數(shù)模隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀組成框圖Fig.1 Block diagram of digit/analog servo system detector

數(shù)模隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，檢測(cè)儀由一臺(tái)通用的微機(jī)外加擴(kuò)展箱組成，計(jì)算機(jī)的選用，可以采用單片機(jī)、便攜機(jī)、工控機(jī)、微型機(jī)等選擇方案。由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能不如微型機(jī)，而便攜機(jī)總線進(jìn)一步擴(kuò)展較困難，工控機(jī)價(jià)格比較昂貴，顯示功能又比不上微機(jī)，普通微機(jī)在運(yùn)算速度、圖形顯示效果、價(jià)格、維修配件更換方便性、作其他用途的多用性等方面具有優(yōu)勢(shì)，由于檢測(cè)儀裝備對(duì)象主要是艦隊(duì)及維修廠，綜合考慮決定采用加固微機(jī)。主機(jī)通過(guò)總線與外部擴(kuò)展箱相連，設(shè)備的其它主要插件板全部插在擴(kuò)展槽中，通過(guò)輸出、輸入電纜與艦炮控制系統(tǒng)相連。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制微機(jī)設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)模隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀硬件原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of digit/analog servo system detector

控制微機(jī)的主要插件板和組成部分如圖2 所示。主要由：①422/485 串口板：該板由轉(zhuǎn)換芯片組成，為檢測(cè)儀和艦炮控制系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)；②網(wǎng)絡(luò)通訊板：該板由標(biāo)準(zhǔn)集成網(wǎng)卡組成，具有10M/100M 自適應(yīng)功能，可實(shí)現(xiàn)向艦炮控制系統(tǒng)提供火炮的高低和方位瞄準(zhǔn)全角信息及相關(guān)報(bào)文信息，并可接收艦炮控制系統(tǒng)的架位信息和狀態(tài)信息報(bào)文；③開(kāi)關(guān)量輸入/輸出板：該板采取物理光電隔離措施，實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換，完成隔離和放大，實(shí)現(xiàn)艦炮的狀態(tài)指示和監(jiān)控功能；④數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換板：具有16 路A/D 轉(zhuǎn)換和4 路D/A 轉(zhuǎn)換通道，其A/D 部分的功能是在微機(jī)控制下進(jìn)行不同通道輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，D/A 部分將微機(jī)輸出的數(shù)字正饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為規(guī)定波形的模擬正饋信號(hào)；⑤數(shù)字/自整角機(jī)轉(zhuǎn)換板：將連續(xù)跟蹤輸入的14位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后輸出高精度的自整角機(jī)信號(hào)，該檢測(cè)儀選用 HDSC2814 數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器；⑥軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換板：軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換板（SDC 轉(zhuǎn)換板）主要完成艦炮的角位置到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將自整角機(jī)發(fā)送的軸角信號(hào)轉(zhuǎn)換成14 位數(shù)字全角度編碼信號(hào)提供給控制計(jì)算機(jī)，解決了與主機(jī)的接口、轉(zhuǎn)換精度和速度、各種精粗比時(shí)的角度組合糾錯(cuò)等問(wèn)題；⑦電源板：對(duì)115V 400Hz 交流電壓進(jìn)行整流和穩(wěn)壓，給軸角/數(shù)字轉(zhuǎn)換板提供參考電壓；⑧接插件及電纜：由接插件，輸入、輸出電纜等組成。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換板設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換板采用SDC2754 模塊，該模塊的工作方式是跟蹤方式，因此又稱(chēng)“跟蹤轉(zhuǎn)換器”。SDC2754 模塊內(nèi)部框圖如圖3 所示。來(lái)自自整角機(jī)的三相繞組信號(hào)為：

圖3 SDC 原理框圖Fig.3 Schematic block diagram of SDC

VS1-S2=E0sinθsinωt

VS2-S3=E0sin（θ+120°）sinωt

VS3-S1=E0sin（θ+240°）sinωt

其中θ 為自整角機(jī)輸入軸的轉(zhuǎn)角，ω 為勵(lì)磁頻率。連接到轉(zhuǎn)換器的S1、S2 和S3 端，經(jīng)微型變壓器（Scott 變壓器）后將三相變?yōu)閮上唷?/p>

V1=KE0sinθsinωt

V2=KE0cosθsinωt

經(jīng)高速數(shù)字sin/cos 乘法器完成了如下運(yùn)算：

KE0sinθsinωt·cosφ

KE0cosθsinωt·sinφ

其中φ 為數(shù)字角度。這些信號(hào)經(jīng)誤差放大器得誤差電壓：

Ve=KE0sinθsinωtcosφ-KE0cosθsinωtsinφ

=KE0sinωt（sinθcosφ-cosθsinφ）=KE0sinωtsin（θ-φ）

經(jīng)相敏檢波后將載頻信號(hào)sinωt 去掉得到誤差電壓sin（θ-t），然后經(jīng)壓控振蕩器轉(zhuǎn)換成脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字角度φ。當(dāng)θ=φ，誤差電壓為0?？梢?jiàn)這是一個(gè)閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)中濾波積分中有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，可逆計(jì)數(shù)器輸出的的數(shù)字量是對(duì)輸入脈沖頻率的積分，因此閉環(huán)系統(tǒng)為Ⅱ型系統(tǒng)。如果輸入角度θ 固定不變，則輸出φ 將恒等于θ；如果輸入時(shí)以均勻角速度變化，則輸出φ 也變化，并且代表著一個(gè)相同的角速度，任一時(shí)刻輸出φ 與輸入θ 是相同的。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換板設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換板選用HDSC2814 數(shù)字—自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由以下幾部分組成：參考變壓器、象限變換、正余弦乘法器、功率放大器和輸出變壓器等五部分。原理框圖如圖4 所示。

圖4 DSC 轉(zhuǎn)換器原理框圖Fig.4 Schematic block diagram of DSC converter

輸入?yún)⒖夹盘?hào)經(jīng)電子變壓器隔離降壓，給正余弦乘法器提供參考信號(hào)；數(shù)字全角量輸入，低12 位連接正余弦乘法器，高2 位連接到象限選擇，以形成全象限的正、余弦信號(hào)，然后用功率放大器放大后，再經(jīng)輸出變壓器隔離、升壓后轉(zhuǎn)換成三線三相自整角機(jī)模擬信號(hào)輸出，即：V0=E0sinωt，其中V0為參考電壓的輸出，E0為參考電壓，為有效值。

VS1-S2=E0sinθsinωt

VS2-S3=E0sin（θ+120°）sinωt

VS3-S1=E0sin（θ+240°）sinωt

2.4 軟件編制

控制軟件是控制系統(tǒng)的核心，模數(shù)隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀的軟件采用Windows 支持下的可視化程序設(shè)計(jì)，它使用了Microsoft Windows 圖形用戶界面的許多先進(jìn)特性和設(shè)計(jì)思想，采用了彈性可重復(fù)利用的完整的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。軟件設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的軟件編程工具，其主要部分為測(cè)控模塊、軟件示波器、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序、在線幫助等幾個(gè)模塊。通過(guò)精心的設(shè)計(jì)為檢測(cè)儀的操作使用提供了良好的人機(jī)界面，使用時(shí)用鼠標(biāo)或鍵盤(pán)通過(guò)菜單或命令按鈕可方便的進(jìn)行命令的執(zhí)行和參數(shù)的輸入。設(shè)計(jì)了先進(jìn)的輸出角度信號(hào)指針式動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)顯示程序，和可放大縮小的示波器顯示輸出，用于顯示發(fā)送信號(hào)波形及采集信號(hào)波形。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)保證了儀器具有完備的自檢、發(fā)送、采集、分析、處理、存儲(chǔ)、顯示、查詢、打印等功能，軟件部分主要框架如圖5 所示。

圖5 控制軟件模塊圖Fig.5 Module diagram of control software

3 結(jié)束語(yǔ)

模數(shù)隨動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)儀是融入虛擬儀器理論技術(shù)研制開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)用設(shè)備，其基本構(gòu)架為一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，配置相應(yīng)輸入、輸出卡以實(shí)現(xiàn)特定的檢測(cè)功能。該檢測(cè)儀采用成熟的計(jì)算機(jī)作為硬件載體，選用Windows 支持下的可視化程序設(shè)計(jì)作為軟件平臺(tái)，自動(dòng)化程度高，功能強(qiáng)大，測(cè)量精確，而且成本低，操作簡(jiǎn)便，易于攜帶。

該檢測(cè)儀在離線模擬訓(xùn)練、輔助快速故障定位等方面取得顯著創(chuàng)新，既能為某中口徑艦炮提供實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的技術(shù)保障和檢測(cè)維修，又能用于艦炮的日常模擬訓(xùn)練，符合設(shè)計(jì)要求，滿足艦隊(duì)的應(yīng)用需求，有效保障艦隊(duì)的維修任務(wù)。

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